Relee de putere – Înțelegerea noțiunilor de bază

În esență, releele funcționează ca niște comutatoare care guvernează funcționarea altor comutatoare din cadrul circuitelor electrice. Prin utilizarea unui semnal de intrare de mică putere, acestea transmit o comandă circuitelor de putere mai mare. Activarea semnalului de joasă putere al releului declanșează activarea unui electromagnet, inițiind mișcarea unei armături. Această mișcare, la rândul său, determină închiderea contactelor electrice, facilitând astfel transmiterea de energie către circuitul controlat.

Unul dintre avantajele esențiale ale acestui proiect constă în capacitatea sa de a izola semnalul de control de putere mică de circuitul de putere mai mare. Această izolare nu numai că protejează operatorii de potențiale pericole, dar protejează și echipamentele de eventualele daune. În plus, acest aranjament facilitează controlul de la distanță al dispozitivelor sau al sistemelor, permițând operarea de la distanță.

Releele electromecanice datează din 1835 și, în ciuda progreselor semnificative în ceea ce privește componentele și diversitatea acestora de-a lungul anilor, funcția lor fundamentală a rămas aceeași. Unul dintre cele mai cunoscute relee din istorie este releul de putere. Deși toate releele electrice controlează în mod inerent puterea, nu toate releele sunt denumite corect „relee de putere”. Acest articol va examina mai îndeaproape releele de putere, inclusiv beneficiile, configurațiile și criteriile cheie de selecție ale acestora.

Noțiunile de bază despre releele de putere

Releele de putere sunt cunoscute pentru capacitatea lor specializată de a gestiona comutarea curenților de nivel înalt, de la câțiva amperi până la mărimi mult mai mari. Construcția lor mai robustă și dimensiunile mărite permit contactelor releelor de putere să reziste la curenți considerabili, ceea ce îi face ideali pentru aplicațiile care necesită curenți ce depășesc de obicei 10 amperi.

Acestea sunt utilizate tot mai mult în diverse industrii, inclusiv pentru sistemele auto, comenzile ascensoarelor, actuatoarele de supape, dar și pentru diverse dispozitive caracterizate de supratensiuni inițiale mari de curent, cum ar fi motoare, solenoizi, surse de alimentare și balasturi electronice.

La fel ca alte componente electrice, releele au limitări inerente în ceea ce privește puterea pe care o pot gestiona în siguranță. Fiecărui model i se atribuie o putere nominală maximă, asigurând o potrivire eficientă cu o gamă variată de sarcini, de la piese de putere mică, precum becurile, până la utilaje robuste, precum motoarele mari. Cu toate acestea, depășirea puterii nominale specificate poate duce la deteriorarea permanentă a releului.

În plus, alinierea greșită a contactelor poate induce un arc de contact, caracterizat prin trecerea curentului prin intervalul de aer dintre contactele releului atunci când acestea sunt deschise, dar apropiate una de cealaltă. Acest fenomen prezintă riscuri care depășesc producerea de scântei și căldură, inclusiv eroziunea contactelor și generarea de interferențe electrice nedorite, care pot afecta echipamentele din apropiere.

Figura 1: Arcul electric de contact al releului electromecanic. (Sursă imagine: Same Sky)

Aici intră în scenă releele de putere, proiectate special pentru a face față sarcinilor electrice ale dispozitivelor de curent ridicat, cum ar fi încălzitoarele, motoarele, sistemele de iluminat și echipamentele industriale. Valorile nominale mari de curent și tensiune ale releelor de putere provin, în mare parte, din utilizarea unor materiale de contact ale comutatorului diferite de cele din releele obișnuite. Aceste materiale sunt alese pentru capacitatea lor de a rezista la solicitările aplicațiilor de mare putere, asigurând o funcționare fiabilă și longevitate în medii industriale solicitante.

Materiale de contact pentru releele de putere

Atunci când curentul trece prin contactele releului, acesta întâmpină rezistență, un factor care depinde de dimensiunea și compoziția materialului contactelor. Rezistența ridicată nu numai că amplifică puterea disipată în releu, dar crește și generarea de căldură. O abordare pentru reducerea rezistenței de contact este selectarea atentă a materialelor de contact.

Releele convenționale au, de obicei, contacte confecționate din argint-nichel, un metal renumit pentru omniprezența sa istorică în construcția releelor. Contactele din argint-nichel excelează la comutarea sarcinilor rezistive, unde curentul și tensiunea sunt în fază una cu cealaltă.

În schimb, releele proiectate pentru sarcini mai mari, cum ar fi releele de putere, utilizează contacte confecționate din materiale precum oxidul de cadmiu-argint, oxidul de staniu-argint sau aliajul de aur. Aceste materiale sunt ideale pentru manipularea sarcinilor inductive, caracterizate prin curent și tensiune asincrone, care pot produce vârfuri substanțiale de curent sau tensiune. Atât contactele din oxid de argint-cadmiu, cât și cele din oxid de argint-staniu oferă o rezistență electrică redusă și reduc riscul de sudare a contactelor care rezultă din curenții de anclanșare mari. În special, prin utilizarea oxidului de argint-cadmiu se evită problemele de mediu asociate cu aliajele pe bază de cadmiu, aliniindu-se astfel la standardele de reglementare susținute de anumite națiuni.

Releele de putere în comparație cu releele de semnal

Releele de putere și releele de semnal reprezintă două variante populare din domeniul releelor. În timp ce releele de putere au ca prioritate gestionarea unor tensiuni și curenți mai mari, acestea suportă, de obicei, mai puține cicluri de funcționare. În schimb, releele de semnal sunt proiectate pentru un număr mai mare de cicluri de funcționare, dar funcționează cu tensiuni mai mici și cu un curent minim.

Deși sunt capabile să gestioneze scenarii de mare putere, materialele de contact utilizate în releele de putere nu sunt ideale pentru comutarea la putere redusă. Acest lucru provine din faptul că, la tensiuni mai mici, conexiunea fizică dintre contacte capătă o importanță capitală, dictată mai degrabă de factori precum presiunea și gradul de curățenie a contactului decât de materialul de contact.

În plus, utilizarea unui releu de semnal într-o aplicație de putere implică riscuri inerente, care pot culmina cu o defecțiune catastrofală datorată supratensiunii sau supracurentului. Chiar dacă un astfel de releu ar supraviețui, i-ar lipsi caracteristici esențiale, cum ar fi prevenirea arcului electric și auto-curățarea contactelor, ceea ce ar compromite fiabilitatea pe termen lung.

În procesul de luare a deciziei între releele de putere și cele de semnal, respectarea unei linii directoare fundamentale este esențială: nivelul de putere care este comutat trebuie să se potrivească întotdeauna cu puterea nominală a releului. Acest lucru asigură o performanță optimă, reduce riscurile de defecțiune și menține integritatea releului și a sistemelor asociate. Puteți citi mai multe despre releele de semnal în celălalt articol de la Same Sky, intitulat Relee de semnal – Înțelegerea noțiunilor de bază.

Tipuri de relee de putere

Releele de putere, ca și releele obișnuite, sunt disponibile în două tipuri principale: electromecanice și cu semiconductori.

Releele electromecanice de putere se bazează pe o combinație de bobine electrice, câmpuri magnetice, arcuri, armături mobile și contacte pentru a regla furnizarea de energie către un dispozitiv.

Pe de altă parte, releele cu semiconductori nu au părți mobile. În schimb, acestea utilizează dispozitive semiconductoare, cum ar fi redresoarele controlate cu siliciu (SCR), TRIAC-uri (triode pentru curent alternativ) sau tranzistoare de comutare pentru a comuta atât curentul alternativ, cât și cel continuu. Releele cu semiconductori oferă avantaje, precum viteze de comutare mai rapide și fiabilitate sporită în comparație cu releele electromecanice. Cu toate acestea, rentabilitatea lor scade pe măsură ce cererea de putere crește, din cauza costurilor mai mari asociate cu semiconductoarele de putere robuste și a includerii unor componente suplimentare de gestionare termică.

Figura 2: Exemplul unui releu cu semiconductori combinat cu un radiator. (Sursă imagine: Same Sky)

Configurații și valori nominale comune

Releele de putere, la fel ca și omologii lor fără putere, sunt clasificate în funcție de configurația contactelor, indicând numărul de dispozitive pe care le pot controla simultan. Clasificările comune includ:

• SPST (un singur pol, o singură direcție)
• DPDT (doi poli, două direcții)
• 3PDT (trei poli, două direcții)
• SP3T (un singur pol, trei direcții)

Contactele releului sunt desemnate fie ca fiind normal deschise (NO), fie normal închise (NC), în funcție de starea lor atunci când releul nu este alimentat.

Valorile nominale ale releelor indică puterea maximă pe care releul o poate comuta în siguranță și în mod eficient. Aceste valori nominale sunt exprimate în mod obișnuit în amperi, atât pentru curenții c.a., cât și c.c. Este esențial ca puterea nominală a releului să depășească puterea nominală a dispozitivului care este comutat, cu o marjă de siguranță.

La fel ca și în cazul releelor fără putere, releele de putere pot fi descrise prin termenul „forme”. Fraze precum „1 Forma A” sau „2 Forma C” oferă informații despre caracteristicile releului. Numărul care precedă cuvântul „Formă” indică numărul de contacte descrise disponibile în releu. „Forma A” semnifică un releu normal deschis, în timp ce „Forma B” semnifică un releu normal închis. „Forma C” și „Forma D” se aplică releelor SPDT, indicând care poziție este considerată normal închisă și dacă releul este cu „întrerupere înainte de conectare” (break-before-make) sau, respectiv, cu „conectare înainte de întrerupere” (make-before-break). Deși există multe alte forme, acestea patru sunt cele mai utilizate.

• Forma A – Normal deschis
• Forma B – Normal închis
• Forma C – Comutatoare SPDT cu întrerupere înainte de conectare
• Forma D – Comutatoare SPDT cu conectare înainte de întrerupere

Considerente suplimentare

Unele considerente suplimentare de care trebuie să se țină seama în timpul selecției dispozitivului includ:

• Supratensiuni de intrare: Anumite dispozitive pot produce supratensiuni semnificative în timpul pornirii. Este important să identificați aceste supratensiuni înainte de a specifica un releu, pentru a preveni deteriorarea dispozitivului.
• Suprimarea bobinelor: Ciclurile de funcționare ale releului pot genera fenomene tranzitorii de înaltă tensiune. Suprimarea bobinelor implică utilizarea unor componente suplimentare în circuit pentru a proteja echipamentul de aceste fenomene tranzitorii. Totuși, acest lucru poate reduce durata de viață a releului. Determinați dacă este necesară o strategie specifică de suprimare a bobinelor pentru orice aplicație specifică.
• Blocare: Un releu cu blocare își păstrează ultima poziție de contact chiar și după ce este întreruptă alimentarea de activare. Această caracteristică poate fi necesară pentru anumite aplicații.
• Zgomot: Releele pot produce zgomot de interferență electromagnetică (EMI) sau de interferență de radiofrecvență (RFI), care poate fi mai pronunțat în cazul dispozitivelor de mare putere. Determinați în prealabil sensibilitatea unui dispozitiv sau sistem la acest zgomot.
• Ricoșeu de contact: În timpul ciclurilor de funcționare ale unui releu, contactele sale pot avea scurte cicluri de deschidere/închidere, cunoscute sub numele de „ricoșeu de contact”, care generează impulsuri electrice. În funcție de sensibilitatea aplicației, acest ricoșeu poate provoca efecte nedorite, astfel încât este important să se determine dacă ricoșeul de contact va afecta o aplicație, înainte de a specifica un releu.

Figura 3: Exemplu de ricoșeu de contact și tensiuni care se schimbă rapid. (Sursă imagine: Same Sky)

Concluzie

Releele sunt dispozitive de încredere, eficiente și fiabile, care asigură controlul electric sigur al sistemelor și dispozitivelor, menținând în același timp operatorul izolat și la distanță de curentul de funcționare. Releele de putere, fie ele electromecanice sau cu semiconductori, sunt special concepute cu caracteristici îmbunătățite pentru a gestiona tensiuni și curenți mai mari.

În timp ce proiectanții evaluează nevoile de comutare a puterii pentru produsele lor, Same Sky oferă o gamă variată de relee de putere și relee de semnal. Fie că se ocupă de comutarea curentului la nivel scăzut sau la nivel înalt, Same Sky oferă soluții de relee pentru a satisface în mod eficient o varietate de cerințe.